数控机床结构及维修
第五章 自动换刀装置
2010-12-15
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数控机床结构及维修
第五章自动换刀装置
• • • • • 5.1 概述 5.2 刀架换刀 5.3刀库与机械手换刀 5.4 更换主轴换刀与更换主轴箱换刀 5.5自动换刀装置的常见故障与维修
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第五章 自动换刀装置
5.1 概述 一、ATC刀具自动交换 刀具自动交换 为进一步提高数控机床的加工效率， 为进一步提高数控机床的加工效率 ， 实现一次装 夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展,需求， 夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展,需求， 必须有因此出现了各种类型的加工中心机床。 必须有因此出现了各种类型的加工中心机床。 这类多工序的数控机床在加工过程中要使用多种 刀具， 因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具， 刀具 ， 因此必须有自动换刀装置 ， 以便选用不同刀具 ， 完成不同工序的加工工艺。 完成不同工序的加工工艺。 自动换刀装置应当具备换刀时间短且换刀可靠、 自动换刀装置应当具备换刀时间短且换刀可靠 、 刀具重复定位精度高、 足够的刀具储备量、 刀具重复定位精度高 、 足够的刀具储备量 、 占地面积 安全可靠等特性。 小、安全可靠等特性。
图5-4 非接触式磁性识别 1- 刀柄套 2-导磁材料编码环 3-识别装置 4-非导磁材料编码环 5-一次线圈 6-检测线圈 7-二次线圈
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（2）光学纤维刀具识别装置 ）
• 这种装置利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束 这种装置利用光导纤维良好的光传导特性， 光导纤维构成阅读头。 光导纤维构成阅读头。 • 用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其 用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时， 中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑 被涂黑)的金 中一束将光源投射到能反光或不能反光 被涂黑 的金 属表面， 属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件 转换成电信号， 转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金属表 面有无反射光，有反射时(表面光亮 表面光亮)为 面有无反射光，有反射时 表面光亮 为“1”，无反射 ， 表面涂黑)为 所示。 时(表面涂黑 为“0”，如图 表面涂黑 ，如图4-5b所示。 所示 • 在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑， 在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑， 就可给刀具编上号码。 就可给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来 发出同步信号
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1、合理确定刀库储存量
• 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂，影响 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂， 机床总体布局；储存量过小， 机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的 加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下， 加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下， 力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库， 力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以 缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300 300多种刀库 缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300多种刀库 储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10 10储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10-40 把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件 把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件 的加工要求。少于10把超过60把的很少。 10把超过60把的很少 的加工要求。少于10把超过60把的很少
• 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触， 无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、 损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、换 刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。 刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。 • （1）非接触式磁性识别法 ） • （2）光学纤维刀具识别装置 ）
图5-1 刀具编码方式
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2 刀座编码方式
• 这种编码方式对每个刀 座都进行编码， 座都进行编码，刀具也 编号， 编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中， 其号码相符的刀座中， 换刀时刀库旋转， 换刀时刀库旋转，使各 个刀座依次经过识刀器， 个刀座依次经过识刀器， 直至找到规定的刀座， 直至找到规定的刀座， 刀库便停止旋转。 刀库便停止旋转。 图5-2 刀座编码方式
表5-1 自动换刀装置类型
类别型式 回转刀架 转 塔 式 特 点 多为顺序换刀， 多为顺序换刀，换刀 时间短、 时间短、结构简单紧 凑、容纳刀具较少
顺序换刀，换刀时间短， 顺序换刀，换刀时间短， 刀具主轴都集中在转塔头 结构紧凑。 上，结构紧凑。但刚性较 差，刀具主轴数受限制
各种数控车床， 各种数控车床，数控车削 加工中心 数控钻、 数控钻、镗、铣床
转塔头
刀 库 式
刀具与主轴之 间直接换刀
换刀运动集中， 换刀运动集中，运动 部件少， 部件少，但刀库容量 受限。 受限。
用机械手配合 刀库进行换刀
刀库只有选刀动， 刀库只有选刀动，机 械手进行换刀运动， 械手进行换刀运动， 刀库容量大
各种类型的自动换刀 数控机床。 数控机床。尤其是对使用 回转类刀具的数控镗、 回转类刀具的数控镗、铣 床类立式、 床类立式、卧式加工中心 机床； 机床； 要根据工艺范围和机 床特点， 床特点，确定刀库容量和 自动换刀装置类型。 自动换刀装置类型。
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图5-5 光学纤维刀具识别装置
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四、利用PC(可编程序控制器)实现随机换刀 利用PC(可编程序控制器) PC(可编程序控制器
• 由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀。它代替 由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀。 了传统的编码环和识刀器。 了传统的编码环和识刀器。 • 在这种选刀与换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴 在这种选刀与换刀的方式中， 上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。 上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。 • 主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号，均在 主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号， PLC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需 内部相应地存储单元记忆。 内部相应地存储单元记忆 要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和 内部设置一个模拟刀库的数据表， 要在 内部设置一个模拟刀库的数据表 表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 • 这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀 这种方法主要由软件完成选刀， 装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。 装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。
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二、刀具的选择 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令， 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令，从刀库中 将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 在刀库中， 在刀库中，选择刀具通常采用 ： 1．顺序选择刀具 2．任意选择刀具
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任意选择法主要有三种编码方式
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3 编码附件方式
• 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、 编码钥匙 编码盘等 其中应用最多的是编码钥匙。 编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。 • 这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编 码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时， 码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码 钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中， 钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码 转记到刀座中，给刀座编上了号码。 转记到刀座中，给刀座编上了号码。 • 识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁 边刀座中的刀具。 边刀座中的刀具。
• (1)刀具编码方式 刀具编码方式 • (2)刀座编码方式 刀座编码方式 • (3)编码附件方式 编码附件方式
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1 刀具编码方式
这种方式是对每把刀具进行编码， 这种方式是对每把刀具进行编码，由于每把刀具都 有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。 有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。 这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用， 这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用， 用过的刀具也不一定放回原刀座中， 用过的刀具也不一定放回原刀座中，避免了因刀具存放 在刀库中的顺序差错而造成的事故， 在刀库中的顺序差错而造成的事故，同时也缩短了刀库 的运转时间简化了自动换刀控制线路。 的运转时间简化了自动换刀控制线路。
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一、刀库的形式
图5-10 盘形刀库
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图5-11 链式刀库
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圆 盘 式 刀 库 结 构 图
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圆盘式刀库结构图
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• THK6370 自动换刀 数控卧式 镗铣床采 用链式刀 库。
图5-13 链式刀库结构示意图
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二、设计刀库时应考虑的主要问题
• 1、合理确定刀库储存量 • 2、尽量缩短选刀时间 • 3、刀库运动速度应适宜 • 4、要求刀具运行平稳 • 5、刀座在刀库中的排列 • 6、其他应注意的问题
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图5-9 一般转塔回转刀架 1-活塞 2-刀架 3、4-定位杆 5-离合器 6-活塞 7-齿轮 101112138-齿条 9、10-插销 11-推杆 12-触头 13-接板
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5.3刀库与机械手换刀 5.3刀库与机械手换刀
• 刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之 刀库用于存放刀具， 其容量、 一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很 大影响。 大影响。
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5.2 刀架换刀
一、排刀式刀架
图5-6 排刀式刀架布置图
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图5-7
快换台板
18Biblioteka 二、经济型数控车床方刀架• 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础 上发展的一种自动换刀装置， 上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架 一样，有四个刀位， 能装夹4把不同功能的刀具， 一样 ， 有四个刀位 ， 能装夹 4 把不同功能的刀具 ， 方 刀架回转90 90° 刀具交换一个刀位， 刀架回转90°时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回 转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 • 换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、 换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、 刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求， 刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相 应的机构来实现，下面就以WZD WZD4 应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具 体结构,如图5 所示。 体结构,如图5-8所示。